燃煤發電廠推廣實施碳捕集技術探索研究

國家電投集團協鑫濱海發電有限公司 李 奎 王建設

為應對氣候變化，推動以二氧化碳為主的溫室氣體減排，國家提出了“3060”目標，即二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”。而CCUS 技術是我國實現長期絕對減排、能源系統深度低碳轉型以及“3060”目標的重要技術選擇。

1 碳捕集、利用及封存技術

1.1 碳捕集技術

碳捕集技術主要分為燃燒前、富氧燃燒和燃燒后三種捕集方式。目前，燃煤電廠示范項目大多采用燃燒后捕集技術，但由于燃煤電廠排放的煙氣具有壓力低、體積大、CO2濃度低等特點，以致捕集系統復雜，需要消耗大量能源。

在當前的技術水平下，碳捕集成本約為300～ 450元/噸CO2，發電效率降低 8～13個百分點。

1.2 運輸、利用和封存技術

1.2.1 運輸技術

CO2輸送是指將捕集的CO2運送到利用或封存地的過程，包括管道、船舶、鐵路和公路等方式。

當前國內CO2陸路車載運輸和內陸船舶運輸主要應用于規模10萬噸/年以下的輸送，成本分別約為1.0-1.3元/噸·公里和0.2-0.5元/噸·公里。CO2陸地管道輸送50萬噸/年的氣相CO2輸送管道，成本約為1.2元/噸·公里。

1.2.2 利用技術

CO2利用技術主要有地質利用、化工利用和生物利用。

目前，地質利用是CO2運用最主要的方式，主要用于強化石油、煤層氣、天然氣開采等。而我國大多數省份在這些方面的資源比較匱乏，不具備處理CO2條件。

對于CO2化工利用技術我國整體處于中試階段，例如合成甲醇技術、合成聚合物多元醇技術、礦化利用技術等。因此，CO2化工利用技術并不成熟，幾乎沒有市場。

CO2生物利用主要產品有食品和飼料、生物肥料、化學品與生物燃料等。目前，利用比較多的是食品，但市場占比少，需求有限，不具備大量消耗的能力。

1.2.3 封存技術

CO2封存的方法一般可分為地質封存和海洋封存兩類。

CO2地質封存是指通過工程技術手段將捕集的CO2儲存于地質構造中，實現與大氣長期隔絕的過程。按照封存地質體的特點，主要劃分為陸上咸水層封存、枯竭油氣田封存等方式。陸上咸水層封存技術完成了年10萬噸級規模的示范；枯竭油氣田封存技術完成了中試方案設計與論證。

海洋封存是指將CO2通過輪船或管道運輸到深海海底進行封存。目前，海底咸水層封存技術完成了中試方案設計與論證，封存成本也很高[1]。

2 CCUS 工程應用

2.1 工程應用一

2.1.1 項目概況

某電廠碳捕集項目總投資約3000萬元，與二期工程2×1000MW超超臨界二次中間再熱燃煤機組同步建設，年捕集二氧化碳1萬噸，于2017年開工，2019年投產運行，項目采用燃燒后碳捕集技術。

2.1.2 項目工藝流程

項目CO2分離技術采用化學吸收法（復合胺吸收劑）。整個工藝可分為吸收部分和精制部分。

工藝流程：風機抽出部分煙氣，先通過水塔進行水洗，除去煙塵、硫化物、NOx 等雜質，之后進入吸收塔進行CO2低溫（40℃以下）吸收，接著富碳溶液進入再生塔經蒸汽加熱至102-115℃解析出CO2，最后經壓縮、干燥、冷卻制成純度為99.9%以上的液態CO2，通過制干冰裝置，將液態CO2轉換為干冰（轉化率2.5:1），作為副產品外銷。

2.1.3 項目經濟性

經了解，該電廠CCUS 項目年運行成本約為350萬元，主要包括電耗、汽耗、復合型胺溶液消耗、水耗等；目前，以銷售干冰為主，干冰市場價約1250元/噸，產生收益400萬元/年。項目綜合收益50萬元/年，經濟性很低，幾乎不可能收回投資。

圖1 該電廠碳捕集裝置吸收部分工藝流程圖

2.2 工程應用二

2.2.1 項目概況

某電廠15萬噸/年碳捕集示范項目，投資1.5億元，于2019年開工，2021年完成設備安裝、調試和168小時試運行，目前是國內領先的燃煤電廠燃燒后CO2捕集與驅油封存全流程示范項目。

2.2.2 項目工藝流程

項目采用燃燒后碳捕集技術，CO2分離技術同樣采用化學吸收法（復合胺吸收劑）。工藝流程：風機抽出部分煙氣，先通過水塔進行水洗，除去煙塵、硫化物、NOx 等雜質，之后進入吸收塔進行CO2低溫吸收，接著富碳溶液進入再生塔經蒸汽加熱解析出CO2，最后經壓縮、干燥、冷卻制成純度為99.9%以上的液態CO2。

2.2.3 項目經濟性

經了解，該電廠CCUS 項目運行成本約360元/噸CO2，主要包括電耗、汽耗、復合型胺溶液消耗、水耗等；目前市場工業級CO2售價約350元/噸，項目運行即虧損。

當前，該電廠最大的重點、難點是CO2的利用問題。項目設計時，計劃CO2主要通過汽車運輸到油田，進行驅油。但經了解，CCUS 系統通過168小時試運后，基本處于停運狀態。

3 CCUS 工程經濟性分析

碳捕集項目的經濟收益主要是銷售CO2或者轉化品，目前市場工業級CO2售價最高約350元/噸。

而CCUS 示范工程投資額很大，一般都在數億元人民幣以上，而且在現有技術條件下，引入碳捕集將額外增加約300～450元/噸CO2的運行成本；另外還有運輸成本。

因此，碳捕集項目與其他CO2生產行業進行市場競爭時，沒有任何優勢，甚至出現運行即虧損的現象，收回項目投資幾乎不可能。同時，目前國家也還未出臺CCUS 項目參與碳交易的相關政策。

4 結語

鑒于CCUS 發展現狀和示范項目建設情況，未來一段時期內仍處于試驗示范期，以提升技術水平和積累經驗為主，不具備推廣條件。

技術水平還需進一步發展。當前，CCUS 技術仍處于研發和試驗示范期，技術水平并不成熟。有的電廠碳捕集系統經常因生成的CO2夾帶逃逸的氨氣，導致設備管道堵塞和油系統污染。此外，在現有技術水平下，部署CCUS 將使一次能耗增加10%～20%，發電效率降低8～13個百分點，增加能源消耗總量。

CO2利用市場還需健全。CO2運用最主要的方式是用于強化石油、煤層氣、天然氣開采等。而我國大多數省在這些方面的資源都比較匱乏，不具備處理CO2條件。CO2利用問題無法形成產業鏈，最后項目可能面臨為了建而建，而沒有達到減排的根本目的。

經濟性限制還將延續一段時間。CCUS 工程投資很大，在碳排放成本沒有大幅降低的情況下，減排收益很少，收回投資幾乎不可能。

未來發展意義重大且深遠。隨著國家對碳排放控制要求的不斷提升，為實現能源系統的綠色低碳轉型，CCUS 將成為煤炭合理化和清潔化利用的一個重要手段。未來如進一步促進技術應用成本的不斷下降，能逐步實現技術的規模化應用，將帶動相關低碳產業的發展和壯大。